Pengaruh Penambahan γ-Al
2
O
3
pada
Homogenitas Matriks Geopolimer
A. Indra Wulan Sari R, Abdul Haris, dan Subaer∗
Pusat Penelitian Geopolimer - Lab. Fisika Material, Jurusan Fisika-FMIPA Universitas Negeri Makassar
Jl. Daeng Tata Raya, Makassar 90223
Telah dilakukan penelitian tentang struktur mikro geopolimer dengan bahan adisi γ-Al2O3. Bahan dasar yang
digunakan adalah metakaolin yang diperoleh dari dehidroksilasi mineral kaolin pada suhu 750◦C selama 6 jam. Mineral γ-Al2O3 diperoleh dari metakaolin melalui prosedur ekstraksi yang dikembangkan dalam penelitian
ini. Studi ini bertujuan untuk mempelajari morfologi dan homogenitas matriks geopolimer dengan atau tanpa bahan adisi γ-Al2O3. Sintesis geopolimer dilakukan melalui metode aktivasi larutan alkali metakaolin. Mineral
γ-Al2O3 ditambahkan ke dalam pasta geopolimer, diaduk perlahan hingga campuran bersifat homogeny
ke-mudian dicuring pada suhu 60◦C selama 1 jam. Karakterisasi dengan XRD dilakukan untuk mempelajari fase bahan dasar kaolin, metakaolin, mineral γ-Al2O3, serta produk geopolimer. Hasil karakterisasi dengan XRD
memperlihatkan bahwa prosedur ekstraksi berhasil menghasilkan γ-Al2O3dengan persentase antara 7 - 12 wt%.
Sampel geopolimer yang diproduksi dan berusia 28 hari selanjutnya dikarakterisasi dengan menggunakan SEM-EDS. Hasil karakterisasi SEM menunjukkan bahwa sampel geopolimer dengan bahan adisi γ-Al2O3memiliki
struktur mikro permukaan (matriks) yang lebih homogen dibandingkan geopolimer tanpa adisi γ-Al2O3. Hasil
ini diharapkan berkorelasi positif dengan sifat fisis dan mekanik geopolimer.
ABSTRACT
A study has been conducted on microstructure of geopolymers added with γ-Al2O3. Precursor used was
metakaolin which produced through dehydroxilation of kaolin at 750◦C for 6 hours. γ-Al2O3 mineral was
extracted from metakaolin using a procedure developed in this study. The aims of this study was to investigate the morphology and the homogeneity of geopolymer matrix with and without the addition γ-Al2O3.
Geopoly-mers were synthesized by using alkali activation of metakaolin. γ-Al2O3mineral was poured into geopolymer
paste, stirred gently until the mixture homogenous followed by curing at 60◦C for 1 hour. X-Ray Diffraction characterization was used to examine the phase of kaolin, metakaolin, γ-Al2O3, and geopolymer produced. The
results showed that the extraction procedure were able to produced 7 - 12 wt% of γ-Al2O3mineral.
Geopoly-mers sample produced and aged 28 days were characterized using SEM-EDS. The results showed the matrix of samples with γ-Al2O3was more homogenous that those without γ-Al2O3. These results are expected to have
positive correlation with physical and mechanical properties of geopolymers. KATA KUNCI: γ-Al2O3extraction, metakaolin, geopolymer, microstructure, homogeneous
I. PENDAHULUAN
Material geopolimer menjadi salah satu topik peneli-tian yang semakin intensif dikembangkan sebagai material rekayasa untuk berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari. Hal ini dikarenakan potensi aplikasinya yang sangat luas, baik dalam bentuk murni maupun dengan tambahan penguat
(re-inforced). Salah satu material rekayasa yang dikembangkan
dengan memanfaatkan geopolimer sebagai prekursor adalah komposit geopolimer. Komposit sendiri merupakan material rekayasa yang banyak dikembangkan karena mampu meng-gabungkan beberapa sifat material yang sangat berbeda karak-teristiknya menjadi sifat yang baru dan sesuai dengan yang dikehendaki. Namun demikian, sebagai material dasar
kom-∗
E-MAIL:jzubayir@yahoo.com
posit, geopolimer juga ditemukan mudah pecah dan memi-liki kekuatan tarik yang rendah [1]. Salah satu upaya yang banyak diteliti untuk memperbaiki sifat mekanik komposit geopolimer adalah penambahan serat pendek seperti polyvinyl
alcohol (PVA), polypropylene (PP), serat basalt serta serat
karbon. Kehadiran serat sebagai agregat matriks komposit geopolimer berperan untuk mencegah keretakan serta menam-bah kekuatan tarik matriks geopolimer [2]. Dias [3] mela-porkan peningkatan kekuatan tarik beton geopolimer yang diperkuat dengan serat basalt. Zhao, et al. juga menemukan bahwa penambahan 10 vol% serat pendek Nextel 610 mampu meningkatkan kuat tarik dan kekerasan matriks geopolimer [1]. Hasil-hasil penelitian ini menunjukkan bahwa opti-malisasi matriks akan meningkatkan sifat mekanik komposit geopolimer. Penelitian ini memanfaatkan material γ-Al2O3 sebagai adisi matriks geopolimer. Penelitian terbaru yang dilakukan oleh Hosseini, et al. menunjukkan bahwa mine-ral γ-Alumina (γ-Al2O3) dapat disintesis dari mineral kaolin (Al2Si2O5(OH)4). γ-Alumina diperoleh dengan
mengek-polymer yang didefinisikan sebagai polimer yang atom-atom
utamanya tidak tersusun atas rantai karbon dan terhubung an-tara yang satu dengan yang lainnya melalui ikatan kovalen. Geopolimerisasi melibatkan reaksi kimia berbagai oksida alu-minasilikat (Al3+ dalam koordinasi IV) dengan larutan si-likat pada kondisi alkali tinggi, dan menghasilkan material polimerik dengan ikatan Si-O-Al-Si [5, 6]. Material yang dihasilkan memiliki struktur amorf dengan jaringan polimer tiga-dimensi. Material baru ini digolongkan sebagai kelu-arga poly(sialate) (PS) yang terdiri atas jaringan tetrahedral SiO4 dan AlO4 dengan membagi rata semua atom oksigen serta berasosiasi dengan ion Na+ atau K+. Model polimerik geopolimer serupa dengan formasi pembentukan zeolite. Ru-mus empiris dari poly(sialate) dinyatakan sebagai berikut [5].
Mn[(−SiO2)z− AlO2]n.wH2O (1)
Mnadalah kation (elemen alkali), n derajat polikondensasi, w ≤ 3, dan z = 1, 2 atau 3.
Menurut Davidovits, (1991) [5] geopolimer terdiri atas
poly(sialate) dasar dengan struktur jaringan seperti
ditun-jukkan pada Gambar 1. Kristalin poly(sialate) dapat diperoleh secara hidrothermal, sedangkan pengerasan (setting) pada temperatur tinggi akan menghasilkan sistem amorf atau gelas yang derajat ketidakteraturan atom-atom penyusunnya dapat dipelajari dengan XRD.
Struktur kaolin dibentuk oleh lapisan-lapisan berulang dan diikat oleh gaya elektrostatik dan membentuk struktur tiga di-mensi. Lembaran tetrahedral dibentuk oleh ion Si4+ yang berkoordinasi dengan anion O2− dan lembaran oktahedral dibentuk oleh kation Al3+ yang berkoordinasi dengan an-ion OH−. Kedua lembaran dihubungkan oleh oksigen yang berasal dari lembaran tetrahedral. Metakaolin merupakan produk dehidroksilasi dari kaolin. Proses dehidroksilasi ke-banyakan kaolin berlangsung pada temperatur 500◦C dan di-ikuti oleh kehilangan berat sekitar 14%. Reaksi eksotermal dehidroksilasi kaolin dinyatakan menurut persamaan,
Al2Si2O5(OH)4 → Al2Si2O5(OH)xO2−x
+ (2 −x
2)H2O (2)
dengan nilai x sekitar 10% dari residu grup hidroksil di dalam metakaolin. Reaktivitas metakaolin sangat bergantung pada parameter kalsinasi seperti temperatur, waktu, dan jenis kiln yang digunakan. Temperatur kalsinasi yang ideal terletak an-tara 700 dan 800◦C dengan waktu kalsinasi sekitar 6 jam. Kalsinasi kaolin di bawah 700◦C serta proses kalsinasi yang
Alumina adalah material keramik dengan sifat isolator ter-mal dan listrik yang menunjukkan chemical inertness yang sangat baik dan transparansi optik yang tinggi. Alumina ter-diri dari beberapa fase metastabil (κ, χ, θ, η, γ, δ) dan fase yang paling stabil secara termodinamika yaitu fase α de-ngan titik leleh tinggi (2047◦C) dan memiliki kekerasan re-latif tinggi. Jumlah fase metastabil terjadi dengan meningkat-nya temperatur annealing sampai pada pembentukan fase α-Al2O3 stabil dan rentang suhu keberadaannya bergantung pada kedua komposisi dan struktur awal bahan (diaspore,
gibbsite, tohdit, boehmite, bayerite) [8].
Sumber utama oksida alumina adalah mineral bauxites yang diekstrak melalui proses Bayer. Sintesis alumina dari mineral non-bauxites seperti alunite, sillimanite, andalusite,
kyanite, kaolin, mica, dan fly ash banyak mendapat
perha-tian akhir-akhir ini dengan menggunakan sulfates, nitrates, dan chlorides sebagai prekursor alumina. Alumina yang di-hasilkan memiliki tingkat kemurnian yang tinggi [1]. Hal ini sangat menguntungkan karena selain jumlah mineral non-bauxite berlimpah, proses sintesis tidak memerlukan ener-gi tingener-gi. γ-Al2O3 merupakan sumber produksi material berukuran nano, digunakan sebagai katalis dan substrat katalis pada industri otomotif dan petrolium, komposit struktural untuk pesawat terbang, pelapis (coating) abrasif dan
ther-mal wear. Fase tunggal serbuk γ-Al2O3 dapat menurunkan temperatur densifikasi dibandingkan dengan fase α-Al2O3. Pada umumnya, mineral kaolin mengandung sekitar 20 - 26 wt% alumina. Produksi γ-Al2O3 dari mineral kaolin akan dilakukan menurut prosedur yang dikembangkan oleh Hos-seini, (2011) [4]. Tingkat kekristalan dan kemurnian γ-Al2O3 yang diproduksi diukur dengan menggunakan XRD dan XRF sedangkan morfologi struktur mikronya diukur dengan meng-gunakan SEM. Gambar 1 memperlihatkan difraktogram dan morfologi γ-Al2O3yang diproduksi dari kaolin [4]. Kiner-ja oksida logam, sebagai katalis dan substrat katalis sangat ter-gantung dari struktur kristal dan sifat teksturnya.
Prosedur ekstraksi γ-Al2O3 dari mineral kaolin lainnya dikembangkan oleh Yang, (2009) [9] . Prosedur sintesis nano γ-Al2O3 berasal dari kaolin yang telah dikalsinasi dengan bantuan zat asam. Aluminium hidroksida dipresipitasi den-gan amonia dari proses pelepasan polyethylene glycol. Serbuk putih dari partikel nano γ-Al2O3diamati setelah dikalsinasi, adapun karakterisasi yang dilakukan menggunakan XRD, DSC-TG, TEM, FTIR dan MAS NMR. γ-Al2O3 yang di-hasilkan menunjukkan morfologi seperti batang dengan lebar 7 nm dan panjang sekitar 20 nm. Kaolin tersebut lalu dikalsi-nasi menjadi metakaolin dengan laju pemanasan 10◦C/menit
(a) (b)
Gambar 1: (a) Difraktogram γ-Al2O3, (b) Morfologi mikro γ-Al2O3yang diproduksi dari kaolin [4].
Gambar 2: Skema mekanisme sintesis γ-Al2O3.
dan suhu tersebut bertahan selama 3 jam. Metakaolin lalu diaktivasi dengan HCl 6M pada suhu 90◦C dan distirrer se-lama 2,5 jam, larutan tersebut lalu difilter dan hasil filtrasi yang terkumpul menghasilkan aluminium hidroksida. Setelah penambahan polyethylene glycol (PEG, massa molar 6000), amonia 2,6 M kemudian ditambahkan. Hasil presipitasi dicuci dengan menggunakan aquades dan dikeringkan, selanjutnya dikalsinasi hingga menghasilkan partikel nano γ-Al2O3.
Gambar 2 menunjukkan mekanisme sintesis γ-Al2O3, mu-lai dari dehidroksilasi kaolin hingga menjadi metakaolin. Pada proses dehidroksilasi, terjadi perubahan fasa dari kristal menjadi amorf dan gugus hidroksil dari kaolin dilepaskan menjadi metakaolin. Berikutnya proses filtrasi dengan meng-gunakan asam kuat yang bertujuan untuk memisahkan antara kandungan silika dan alumina yang terdapat pada metakaolin. Selanjutnya proses presipitasi aluminium sulfat dengan meng-gunakan alkohol dan dicuci dengan aquades. Setelah proses presipitasi dilanjutkan dengan proses kalsinasi.
Gambar 3(a) memperlihatkan difraktogram sinar-x yang menunjukkan fasa γ-Al2O3yang terletak pada rentang sudut 2θ, antara 20-70◦. Pada Gambar 3(b) tampak morfologi γ-Al2O3 yang berbentuk batang yang diambil dengan TEM. Difraksi elektron (Gambar 3(c)) memperlihatkan bahwa γ-Al2O3bersifat amorf.
III. METODOLOGI
Penelitian ini diarahkan untuk mensintesis komposit geopolimer dengan agregat γ-Alumina (Al2O3). γ-Alumina diperoleh dengan mengekstraksi kaolin dengan menggunakan
(a)
(b) (c)
Gambar 3: (a)Difraktogram Al(hydr)oxide dan setelah dikalsinasi pada temperatur yang berbeda. (b) Gambar TEM dari γ-Al2O3(c)
pola SAED.
dua prosedur yaitu prosedur yang dikembangkan oleh Hos-seini [4] dan prosedur yang dikembangkan oleh Yang [9]. Hasil sintesis komposit geopolimer kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan SEM-EDS (Tescan Vega3SB) untuk mengetahui struktur mikro dan morfologi komposit serta komposisis elementalnya. Serta dilakukan karakterisasi XRD (Rigaku MiniFlexII) untuk memperoleh informasi kualitatif dan kuantitatif fase yang terbentuk dari proses ekstraksi alu-mina. XRD dilakukan pada sudut 2θ antara 5-80◦ den-gan scan speed 2◦/s dan step 0,02◦. Sintesis komposit geopolimer dilakukan melalui metode aktivasi larutan alkali mineral metakaolin. Mineral γ-Al2O3ditambahkan ke dalam campuran pasta geopolimer, diaduk perlahan hingga campu-ran bersifat homogen lalu dimasukkan ke dalam cetakan
plas-(a) (b)
Gambar 4: Difraktogram hasil ekstraksi γ-Al2O3(eks-1). (a) Hasil pengukuran (b) Analisis dengan search and match.
Gambar 5: Foto SEM hasil ekstraksi γ-Al2O3(eks-1).
tik polycarbonate, diikuti dengan curing pada suhu 60◦C se-lama 1 jam. Sese-lama proses curing berlangsung air reaksi dipertahankan dengan menutup cetakan rapat-rapat. Karakter-isasi dengan XRD dilakukan dengan mempelajari fase bahan dasar kaolin dan metakaolin, mineral γ-Al2O3yang diperoleh dari hasil ekstraksi, serta produk geopolimer.
IV. HASIL DAN DISKUSI
Penelitian ini menggunakan dua prosedur ekstraksi γ-alumina, yaitu prosedur ekstraksi 1 (eks-1) yang dikem-bangkan oleh Hosseini [4] dan prosedur ekstraksi 2 (eks-2) yang dikembangkan oleh Yang [9].
Difraktogram hasil ekstraksi 1 ditunjukkan Gambar 4. Gambar 4 menunjukkan bahwa setelah dilakukan autosearch dengan PDXL 2 tampak bahwa fasa dominan hasil ekstraksi 1 adalah pyrophylite-1A dehydroxilated (Al2(Si4O10)O). Hal
(a)
(b)
Gambar 6: (a) Bar chart komposisi elemental (b) Spektrum EDS hasil ekstraksi γ-Al2O3(eks-1).
ini menunjukkan bahwa hasil ekstraksi dengan prosedur eks-1 belum menunjukkan terbentuknya fase γ-Al2O3. Fasa
py-rophyllite yang terbentuk masih memiliki gugus hidroksil
walaupun menggunakan prekursor yang disintering hingga suhu 800◦C dan 850◦C, namun sifat kristal dari kaolin jus-tru kembali muncul di atas suhu 750◦C. Hal ini juga menun-jukkan bahwa larutan asam sulfat 2M yang digunakan tidak mampu memisahkan antara kandungan alumina dan silika dari prekursor dengan baik. Selain itu juga terlihat fasa quartz syn (SiO2) pada sudut 2θ sebesar 26,709◦dengan intensitas
sebe-(a) (b)
Gambar 7: Difraktogram hasil ekstraksi γ-Al2O3(eks-2) (a) sebelum Search and Match (b) setelah Search and Match.
(a) (b)
Gambar 8: Difraktogram hasil ekstraksi γ-Al2O3(eks-2) (a) tanpa agregat γ-Al2O3(b) dengan agregat γ-Al2O3.
sar 13649 counts. Fasa ini merupakan pengotor yang berasal dari kaolin yang digunakan.
Gambar 5 menunjukkan bahwa butir yang terlihat dari hasil ekstraksi tidak homogen. Adapun bar chart dengan menggu-nakan EDS (Gambar 6) menunjukkan bahwa elemen dengan komposisi terbanyak adalah oksigen. Aluminium dalam ben-tuk unsur ditemukan sebesar 4,7%wt, silikon 30,4%wt, na-trium 2,0%wt dan fluor 2,0%wt.
Gambar 7 menunjukkan difraktogram hasil ekstraksi γ-Al2O3 dengan menggunakan prosedur ekstraksi 2 (eks-2) yang merunut pada prosedur ekstraksi yang dikembangkan oleh Yang [9]. Hasil search and match dengan PDXL 2 me-nunjukkan bahwa hasil ekstraksi γ-Al2O3dengan kode prose-dur eks-2, fasa yang terbentuk berupa γ-Al2O3 yang berada pada rentang sudut 2θ antara 35-70◦.
Fasa lain yang muncul adalah fasa quartz syn (SiO2) yang sebenarnya merupakan pengotor yang berasal dari kaolin yang digunakan (kaolin yang disuplai dari Intraco, Makas-sar) yang akan tetap ada pada hasil ekstraksi. Gambar 8(a) merupakan difraktogram geopolimer tanpa agregat γ-Al2O3. Dari gambar tersebut tampak bahwa geopolimer tanpa agre-gat ini bersifat amorf. Fasa yang terbentuk didominasi oleh fasa silicon dioxide yang berasal dari kaolin yang digunakan. Sedangkan Gambar 8(b) menunjukkan difraktogram
kom-posit geopolimer dengan agregat γ-Al2O3. Selain itu, juga tampak bahwa hump (gundukan) difraksi berbeda dengan hump pada Gambar 8(a). Hal ini dikarenakan kehadiran γ-Al2O3merubah jaringan matriks geopolimer.
Gambar 9(b) merupakan foto SEM sampel komposit geopolimer dengan agregat γ-Al2O3 (KG2D). Berdasarkan gambar tampak bahwa agregat belum menyatu dengan ma-triks melainkan hanya melekat pada mama-triks geopolimernya. Jika dibandingkan dengan Gambar 9(a) terlihat bahwa kondisi permukaan matriks geopolimer menjadi lebih baik dengan keberadaan agregat γ-Al2O3. Spektrum EDS menunjukkan bahwa komposit geopolimer dengan agregat Al2O3(KG2D) secara elemental komposisinya terdiri dari atom Silikon sebesar 3,37%wt, aluminium 2,89%wt, dan sodium sebesar 3,00%wt.
Pada sampel KG2D, kehadiran agregat berpengaruh ter-hadap perbaikan struktur mikro permukaan matriks, namun agregat γ-Al2O3 yang ditambahkan hanya melekat di per-mukaan matriks. Adapun sampel KG4D yang ditunjukkan pada Gambar 10 menunjukkan bahwa struktur mikro per-mukaan sampel jauh lebih homogen dibandingkan dengan KG2D. Morfologi ini menyerupai morfologi gelas yang dibuat dari bahan Na2O3[10].
(a) (b)
Gambar 9: Foto SEM sampel geopolimer (a) tanpa agregat (KG2T), (b) dengan agregat γ-Al2O3(KG2D).
(a) (b)
Gambar 10: (a) Spektrum EDS komposit geopolimer dengan agregat (KG2D),(b) komposit geopolimer dengan agregat (KG4D).
V. SIMPULAN
Telah disintesis mineral γ-Al2O3 dari bahan dasar mi-neral kaolin serta komposit geopolimer dengan bahan dasar metakaolin dengan adisi agregat γ-Al2O3. Penambahan
agre-gat γ-Al2O3 pada komposit geopolimer mampu memper-baiki struktur permukaan matriks geopolimer ditandai dengan berkurangnya pori dan tidak ditemukannya kristal sodium
car-bonate yang tumbuh di permukaan matriks.
[1] Q. Zhao, et al., J. Mater. Sci., 42, 3131-3137 (2007). [2] Y. Zhang, et al., Build. Mater., 22, 370-383 (2008).
[3] D.P. Dias, and C. Thaumaturgo, Cement Concrete Compos, 27, 49-54 (2005).
[4] S.A. Hosseini, A. Niaei, and D. Salari, Open Journal of Physical Chemistry, 1, 23-27 (2011).
[5] J. Davidovits, Journal of thermal analysis, 37, 1633-1656 (1991). [6] Subaer, and A. van Riessen, J. Mater. Sci., 42, 3117-3123 (2006). [7] Kamisawati, Sintesis dan Karakterisasi Keramik Geopolimer Berbahan Dasar Kaolin dan Pasir Kuarsa dengan Difraksi
Sinar-X, Skripsi, Universitas Negeri Makassar, 2010.
[8] J. Musil, et al., Thermal stability of alumina thin film contain-ing γ-Al2O3 phase prepared by reactive magnetron sputtering,
Applied Surface Science, (2010). [sciencedirect]
[9] H. Yang, M. Liu, and J. Ouyang, Novel synthesis and character-ization of nanosized γ-Al2O3from kaolin, Applied Clay Science
(2009). [science direct]
[10] Subaer, Pengantar Fisika Geopolimer (DP2M Dikti Jakarta, 2007).
